DE102017202359A1 - ENERGY STORAGE MODULE, ENERGY STORAGE SYSTEM, VEHICLE AND METHOD FOR MEASURING A CELL VOLTAGE - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Energiespeichermodul, insbesondere eine Festkörperbatterie, ein Energiespeichersystem, ein Fahrzeug sowie ein Verfahren zum Messen einer elektrischen Spannung an einem solchen Energiespeichermodul oder einem solchen Energiespeichersystem. Zwei in einem Stapel angeordnete und in Serie geschaltete Energiespeicherzellen weisen jeweils eine Anodenschicht und eine Kathodenschicht auf. Ein Kontaktelement, welches mit einer im Inneren des Stapels liegenden Anodenschicht einer ersten Energiespeicherzelle und mit einer im Inneren des Stapels liegenden Kathodenschicht einer der ersten Energiespeicherzelle benachbarten zweiten Energiespeicherzelle elektrisch verbunden ist, ist derart aus dem Stapel herausgeführt, dass das wenigstens eine Kontaktelement von außerhalb des Stapels elektrisch kontaktierbar ist.

Figure DE102017202359A1_0000
The invention relates to an energy storage module, in particular a solid-state battery, an energy storage system, a vehicle and a method for measuring an electrical voltage on such an energy storage module or such an energy storage system. Two energy storage cells arranged in a stack and connected in series each have an anode layer and a cathode layer. A contact element, which is electrically connected to an anode layer of a first energy storage cell lying in the interior of the stack and to a second energy storage cell located in the interior of the stack of a second energy storage cell adjacent to the first energy storage cell, is led out of the stack such that the at least one contact element extends from outside the Stack is electrically contacted.
Figure DE102017202359A1_0000

Description

Die Erfindung betrifft ein Energiespeichermodul, insbesondere eine Festkörperbatterie, zur elektrochemischen Speicherung von Energie, ein Energiespeichersystem mit solchen Energiespeichermodulen, ein Fahrzeug mit einem solchen Energiespeichermodul oder Energiespeichersystem sowie ein Verfahren zum Messen einer elektrischen Spannung an einem solchen Energiespeichermodul oder Energiespeichersystem.The invention relates to an energy storage module, in particular a solid-state battery, for the electrochemical storage of energy, an energy storage system with such energy storage modules, a vehicle having such an energy storage module or energy storage system and a method for measuring an electrical voltage to such an energy storage module or energy storage system.

Bei Festkörperbatterien handelt es sich um elektrochemische Energiespeicherzellen, bei welchen anstelle von flüssigen Elektrolyten Festkörperelektrolyten eingesetzt werden. Durch die Verwendung von Festkörperelektrolyten werden deutlich höhere Energiedichten als mit Flüssigelektrolyten erreicht. Ferner wird dadurch die Herstellung solcher Zellen vereinfacht und deren Sicherheit im Betrieb erhöht. Um die erreichbaren Spannungen zu erhöhen, werden in der Regel mehrere Energiespeicherzellen in Reihe geschaltet.Solid-state batteries are electrochemical energy storage cells in which solid-state electrolytes are used instead of liquid electrolytes. Through the use of solid electrolyte significantly higher energy densities are achieved than with liquid electrolytes. Furthermore, this simplifies the production of such cells and increases their safety during operation. In order to increase the achievable voltages, several energy storage cells are usually connected in series.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine weitere Erhöhung der Zuverlässigkeit eines Energiespeichermoduls im Betrieb zu ermöglichen und insbesondere eine längere Lebensdauer bei hoher Energiedichte zu erreichen.It is an object of the invention to enable a further increase in the reliability of an energy storage module during operation and in particular to achieve a longer service life with high energy density.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Energiespeichermodul, ein Energiespeichersystem, ein Fahrzeug und ein Verfahren zum Messen einer elektrischen Spannung an einem solchen Energiespeichermodul und/oder Energiespeichersystem gemäß den Ansprüchen 1, 8, 9 bzw. 10.This object is achieved by an energy storage module, an energy storage system, a vehicle and a method for measuring an electrical voltage on such an energy storage module and / or energy storage system according to claims 1, 8, 9 and 10, respectively.

Ein erfindungsgemäßes Energiespeichermodul, insbesondere in Form einer Festkörperbatterie, zur elektrochemischen Speicherung von Energie weist wenigstens zwei in einem Stapel angeordnete und in Serie geschaltete Energiespeicherzellen auf, welche jeweils eine Anodenschicht und eine Kathodenschicht aufweisen, und ist gekennzeichnet durch wenigstens ein Kontaktelement, welches mit einer im Inneren des Stapels liegenden Anodenschicht einer ersten Energiespeicherzelle und mit einer im Inneren des Stapels liegenden Kathodenschicht einer der ersten Energiespeicherzelle benachbarten zweiten Energiespeicherzelle elektrisch verbunden ist und aus dem Stapel herausgeführt ist, so dass das wenigstens ein Kontaktelement von außerhalb des Stapels elektrisch kontaktierbar ist.An inventive energy storage module, in particular in the form of a solid state battery, for the electrochemical storage of energy has at least two arranged in a stack and connected in series energy storage cells, each having an anode layer and a cathode layer, and is characterized by at least one contact element, which with a in Inside the stack lying anode layer of a first energy storage cell and electrically connected to a lying in the interior of the stack cathode layer of the first energy storage cell second energy storage cell and is led out of the stack, so that the at least one contact element from outside the stack is electrically contacted.

Ein erfindungsgemäßes Energiespeichersystem weist wenigstens zwei erfindungsgemäße Energiespeichermodule auf, wobei die Energiespeichermodule derart nebeneinander und/oder übereinander angeordnet sind, dass sich wenigstens ein aus einem ersten Energiespeichermodul herausgeführtes Kontaktelement und wenigstens ein aus einem dem ersten Energiespeichermodul benachbarten zweiten Energiespeichermodul herausgeführtes Kontaktelement berühren.An inventive energy storage system has at least two energy storage modules according to the invention, wherein the energy storage modules are arranged side by side and / or one above the other, that touch at least one led out of a first energy storage module contact element and at least one out of a first energy storage module adjacent second energy storage module led out contact element.

Ein erfindungsgemäßes Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, weist ein erfindungsgemäßes Energiespeichermodul und/oder ein erfindungsgemäßes Energiespeichersystem auf. Das Fahrzeug weist vorzugsweise einen Elektroantrieb oder Hybridantrieb auf.A vehicle according to the invention, in particular a motor vehicle, has an energy storage module according to the invention and / or an energy storage system according to the invention. The vehicle preferably has an electric drive or hybrid drive.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Messen einer elektrischen Spannung an einem erfindungsgemäßen Energiespeichermodul und/oder Energiespeichersystem, das wenigstens zwei Kontaktelemente aufweisen, zwischen denen eine oder mehrere Energiespeicherzellen angeordnet sind, ist dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrische Spannung an jeweils zwei Kontaktelementen, die aus einem Stapel von in Serie geschalteten Energiespeicherzellen herausgeführt sind, abgegriffen und gemessen wird.An inventive method for measuring an electrical voltage to an energy storage module according to the invention and / or energy storage system having at least two contact elements, between which one or more energy storage cells are arranged, is characterized in that an electrical voltage to each two contact elements, which consists of a stack of connected in series energy storage cells are led out, tapped and measured.

Ein Aspekt der Erfindung basiert auf dem Ansatz, dass die elektrochemischen Energiespeicherzellen einen sog. bipolaren Stapel bilden, im welchem die Anoden- und Kathodenschicht von benachbarten Energiespeicherzellen durch ein elektrisch leitendes Kontaktelement miteinander elektrisch verbunden sind, wobei das Kontaktelement aus dem Stapel herausgeführt wird, um es außerhalb des Stapels zugänglich zu machen. Dadurch kann das jeweilige Potenzial, insbesondere die individuelle Zellenspannung (im Folgenden auch als „Einzelzellenspannung“ bezeichnet), der in Reihe geschalteten einzelnen Zellen leicht abgegriffen und gemessen werden, um daraus beispielsweise Aufschluss über den individuellen Ladezustand der einzelnen Energiespeicherzellen zu gewinnen.One aspect of the invention is based on the approach that the electrochemical energy storage cells form a so-called. Bipolar stack in which the anode and cathode layer of adjacent energy storage cells are electrically connected by an electrically conductive contact element, wherein the contact element is led out of the stack to to access it outside the stack. As a result, the particular potential, in particular the individual cell voltage (also referred to below as "single-cell voltage"), of the individual cells connected in series can be easily tapped and measured in order to obtain information about the individual state of charge of the individual energy storage cells, for example.

Durch die hierdurch ermöglichte Messung bzw. Überwachung der Einzelzellenspannungen der im bipolaren Stapel in Reihe geschalteten Zellen kann eine drohende Überladung und/oder Tiefentladung der einzelnen Zellen beim Aufladen bzw. Entladen des Energiespeichermoduls rechtzeitig erfasst werden, um zur Vermeidung einer Schädigung einzelner Zellen die jeweils erforderlichen Gegenmaßnahmen rechtzeitig einzuleiten. Beispielsweise kann bei Bedarf, z.B. bei einer drohenden Überladung oder Tiefentladung einzelner Zellen, der Ladezustand einzelner Energiespeicherzellen durch von außen über die Kontaktelemente zu- oder abgeführte Ladungen beeinflusst werden, etwa indem eine elektrische Stromquelle bzw. ein elektrischer Verbraucher an jeweils zwei Kontaktelemente, insbesondere ein mit der Kathode und ein mit der Anode einer einzelnen Zelle verbundenes Kontaktelement, angelegt bzw. angeschlossen wird.As a result of the measurement or monitoring of the individual cell voltages of the cells connected in series in the bipolar stack, an imminent overcharge and / or total discharge of the individual cells during charging or discharging of the energy storage module can be recorded in time to avoid the damage of individual cells Initiate countermeasures in good time. For example, if necessary, e.g. in an impending overcharge or exhaustive discharge of individual cells, the state of charge of individual energy storage cells are influenced by externally via the contact elements or discharged charges, such as by an electrical power source or an electrical load to two contact elements, in particular one with the cathode and one with the anode of a single cell connected contact element, is created or connected.

Insgesamt ermöglicht die Erfindung eine weitere Erhöhung der Zuverlässigkeit eines Energiespeichermoduls im Betrieb. Dadurch lassen sich längere Lebensdauern bei hoher Energiedichte erreichen. Overall, the invention enables a further increase in the reliability of an energy storage module during operation. As a result, longer lifetimes can be achieved with high energy density.

In einer bevorzugten Ausführung weist das wenigstens eine Kontaktelement eine elektrisch leitende Kontaktschicht auf, welche im Wesentlichen parallel zur jeweiligen Anodenschicht und Kathodenschicht verläuft und mit der Anodenschicht und der Kathodenschicht elektrisch verbunden ist. Die Kontaktschicht bildet hierbei eine zwischen jeweils benachbarten Zellen angeordnete elektrisch leitende Zwischenwand oder -schicht, durch welche die Anoden- und Kathodenschicht der benachbarten Zellen miteinander verbunden werden. Die Kontaktschicht, welche auch als Bipolarplatte oder als Stromsammelschicht bezeichnet werden kann, erstreckt sich vorzugsweise über den gesamten Querschnitt des Stapels. Damit bildet die Fläche der Kontaktschicht den Leiterquerschnitt für den Betriebsstrom, welcher in Stapelrichtung fließt. Vorzugsweise wird das wenigstens eine Kontaktelement an einer Seitenfläche des Stapels aus dem Stapel herausgeführt, um eine Kontaktierung von außen auf besonders einfache Weise zu ermöglichen. Die Seitenfläche des Stapels verläuft dabei im Wesentlichen parallel zu einer Stapelrichtung, in welcher die Energiespeicherzellen, insbesondere die Anoden- und Kathodenschicht, im Stapel übereinandergestapelt bzw. nebeneinander angeordnet sind, und/oder senkrecht zu den Anoden- und Kathodenschichten.In a preferred embodiment, the at least one contact element has an electrically conductive contact layer, which runs essentially parallel to the respective anode layer and cathode layer and is electrically connected to the anode layer and the cathode layer. In this case, the contact layer forms an electrically conductive intermediate wall or layer arranged between adjacent cells, by means of which the anode and cathode layers of the adjacent cells are connected to one another. The contact layer, which may also be referred to as a bipolar plate or as a current collecting layer, preferably extends over the entire cross section of the stack. Thus, the surface of the contact layer forms the conductor cross section for the operating current, which flows in the stacking direction. Preferably, the at least one contact element is led out of the stack on a side surface of the stack, in order to allow a contact from the outside in a particularly simple manner. In this case, the side surface of the stack runs essentially parallel to a stacking direction, in which the energy storage cells, in particular the anode and cathode layer, are stacked in stack stacking or juxtaposed, and / or perpendicular to the anode and cathode layers.

In einer bevorzugten Ausführung weist das wenigstens eine Kontaktelement eine entlang der Seitenfläche des Stapels im Wesentlichen parallel verlaufende Kontaktfläche auf, welche von außerhalb des Stapels elektrisch kontaktierbar ist. Über eine solche Kontaktfläche kann das wenigstens eine Kontaktelement besonders zuverlässig kontaktiert werden.In a preferred embodiment, the at least one contact element has a contact surface extending substantially parallel along the side surface of the stack, which contact surface is electrically contactable from outside the stack. About such a contact surface, the at least one contact element can be contacted particularly reliable.

Vorzugsweise ist die Kontaktfläche von der Seitenfläche des Stapels beabstandet, beispielsweise durch eine Kontaktfahne des Kontaktelements, die seitlich, d.h. senkrecht zur Stapelrichtung, aus dem Stapel herausragt. Alternativ oder zusätzlich ist die Kontaktfläche gegenüber der Seitenfläche, insbesondere gegenüber einer oder mehreren Anoden bzw. Kathodenschichten, des Stapels elektrisch isoliert. In beiden Fällen wird auf einfache Weise ein Kurzschluss vermieden.Preferably, the contact surface is spaced from the side surface of the stack, for example by a contact lug of the contact element which is laterally, i. perpendicular to the stacking direction, protruding from the stack. Alternatively or additionally, the contact surface with respect to the side surface, in particular with respect to one or more anodes or cathode layers, of the stack is electrically insulated. In both cases, a short circuit is easily avoided.

In einer weiteren bevorzugten Ausführung weist die Kontaktfläche entlang der Seitenfläche des Stapels, insbesondere in Stapelrichtung und/oder senkrecht zur Kontaktschicht, eine Ausdehnung auf, welche größer ist als die Dicke der Kontaktschicht. Vorzugsweise erstreckt sich die Kontaktfläche entlang der Seitenfläche des Stapels, insbesondere in Stapelrichtung, über mehr als 100 µm, bevorzugt mehr als 250 µm, besonders bevorzugt mehr als 500 µm. Dadurch wird das Risiko einer Fehlkontaktierung, insbesondere die Kontaktierung einer Anoden- oder Kathodenschicht bzw. die Erzeugung eines elektrischen Kurzschlusses, vermindert.In a further preferred embodiment, the contact surface along the side surface of the stack, in particular in the stacking direction and / or perpendicular to the contact layer, an extent which is greater than the thickness of the contact layer. The contact surface preferably extends along the side surface of the stack, in particular in the stacking direction, over more than 100 μm, preferably more than 250 μm, particularly preferably more than 500 μm. This reduces the risk of a faulty contact, in particular the contacting of an anode or cathode layer or the generation of an electrical short circuit.

In einer weiteren bevorzugten Ausführung ist die Kontaktfläche dazu eingerichtet, eine Steckverbindung mit einer Kontaktfläche eines anderen Energiespeichermoduls und/oder einer elektrischen Leitung einzugehen. Vorzugsweise weist die Kontaktfläche dazu ein erstes Steck- oder Rastelement auf, welches mit einem entsprechenden zweiten Steck- oder Rastelement einer Kontaktfläche eines anderen Energiespeichermoduls und/oder einer elektrischen Leitung derart verbunden werden kann, dass eine elektrische Verbindung hergestellt wird. Dies erlaubt eine elektrische Verschaltung mit anderen Energiespeichermodulen auf schnelle, einfache und zuverlässige Weise.In a further preferred embodiment, the contact surface is adapted to enter into a plug connection with a contact surface of another energy storage module and / or an electrical line. Preferably, the contact surface for this purpose has a first plug-in or latching element, which can be connected to a corresponding second plug-in or latching element of a contact surface of another energy storage module and / or an electrical line such that an electrical connection is made. This allows electrical interconnection with other energy storage modules in a fast, easy and reliable manner.

In einer weiteren bevorzugten Ausführung sind aus der Seitenfläche des Stapels mehrere Kontaktelemente herausgeführt, welche jeweils eine Kontaktfläche aufweisen, wobei die jeweiligen Kontaktflächen in zwei Dimensionen der Seitenfläche versetzt angeordnet sind, so dass unterschiedliche Kontaktflächen nicht nur in Stapelrichtung, sondern auch senkrecht zur Stapelrichtung unterschiedliche Positionen haben. Vorzugsweise ist dabei der Versatz von zwei benachbarten Kontaktflächen senkrecht zur Stapelrichtung größer als die Ausdehnung der Kontaktflächen senkrecht zur Stapelrichtung. Durch die senkrecht zur Stapelrichtung versetzte Anordnung kann die Ausdehnung der einzelnen Kontaktflächen in Stapelrichtung ausreichend groß gewählt werden, um - ohne die Gefahr einer Berührung bzw. Überlappung mit einer benachbarten Kontaktfläche - eine sichere und einfache elektrische Kontaktierung zu ermöglichen.In a further preferred embodiment, a plurality of contact elements are led out of the side surface of the stack, each having a contact surface, wherein the respective contact surfaces are arranged offset in two dimensions of the side surface, so that different contact surfaces not only in the stacking direction, but also perpendicular to the stacking direction different positions to have. Preferably, the offset of two adjacent contact surfaces perpendicular to the stacking direction is greater than the extension of the contact surfaces perpendicular to the stacking direction. By the offset perpendicular to the stacking arrangement, the expansion of the individual contact surfaces in the stacking direction can be chosen sufficiently large to - to allow a safe and easy electrical contact without the risk of contact or overlap with an adjacent contact surface.

In einer weiteren bevorzugten Ausführung sind die Kontaktflächen der Kontaktelemente im Wesentlichen entlang einer Diagonalen der Seitenfläche des Stapels angeordnet. Dadurch wird eine regelmäßige Anordnung der Kontaktflächen erreicht, insbesondere bei maximal möglichem Abstand der Kontaktflächen senkrecht zur Stapelrichtung. Dies macht die Kontaktierung besonders sicher und einfach. Legt man außerdem zwei solche Energiespeichermodule mit ihren Seitenflächen aneinander, dann kommen die jeweiligen Kontaktflächen der Energiespeichermodule in Kontakt, wobei diese auf einfache und zuverlässige Weise zu einem Energiespeichersystem miteinander verschaltet werden können.In a further preferred embodiment, the contact surfaces of the contact elements are arranged substantially along a diagonal of the side surface of the stack. Thereby, a regular arrangement of the contact surfaces is achieved, in particular at the maximum possible distance of the contact surfaces perpendicular to the stacking direction. This makes the contacting particularly safe and easy. If you also put two such energy storage modules together with their side surfaces to each other, then the respective contact surfaces of the energy storage modules come into contact, and these can be interconnected in a simple and reliable way to an energy storage system.

In einer weiteren bevorzugten Ausführung des Verfahrens zum Messen einer elektrischen Spannung an einem Energiespeichermodul und/oder einem Energiespeichersystem wird die elektrische Spannung an jeweils zwei Kontaktelementen, welche jeweils mit der Anodenschicht und der Kathodenschicht einer Energiespeicherzelle verbunden und aus dem Stapel herausgeführt sind, abgegriffen und gemessen. Dadurch kann die Zellenspannung einer einzelnen Energiespeicherzelle in einem Stapel mit mehreren Energiespeicherzellen zuverlässig erfasst und dadurch der Betriebszustand, insbesondere Ladungszustand, der einzelnen Energiespeicherzelle ermittelt werden. Alternativ kann dadurch auch eine elektrische Spannung mehrerer Energiespeicherzellen in mehreren Stapeln, welche in einem Energiespeichersystem parallel geschaltet sind, erfasst werden, ohne dass eine Messung an mehreren einzelnen Energiespeicherzellen notwendig wäre.In a further preferred embodiment of the method for measuring an electrical voltage on an energy storage module and / or an energy storage system, the electrical Tension at each two contact elements, which are each connected to the anode layer and the cathode layer of an energy storage cell and led out of the stack, tapped and measured. As a result, the cell voltage of a single energy storage cell can be detected reliably in a stack with a plurality of energy storage cells and, as a result, the operating state, in particular charge state, of the individual energy storage cell can be determined. Alternatively, an electrical voltage of a plurality of energy storage cells in a plurality of stacks, which are connected in parallel in an energy storage system, can thereby also be detected, without it being necessary to measure several individual energy storage cells.

Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren. Es zeigen:

  • 1 ein erstes Beispiel eines Energiespeichermoduls;
  • 2 ein zweites Beispiel eines Energiespeichermoduls; und
  • 3 ein Beispiel zur Verschaltung von Energiespeichermodulen zu einem Energiespeichersystem.
Other features, advantages and applications of the invention will become apparent from the following description taken in conjunction with the figures. Show it:
  • 1 a first example of an energy storage module;
  • 2 a second example of an energy storage module; and
  • 3 an example of the interconnection of energy storage modules to an energy storage system.

1 zeigt ein erstes Beispiel eines Energiespeichermoduls 1 mit drei in Stapelrichtung 3 übereinander gestapelten Energiespeicherzellen 4. Jede der Energiespeicherzellen 4 weist eine, beispielsweise als dünne Folie ausgebildete, Anodenschicht 5 sowie eine Kathodenschicht 6 auf, zwischen denen sich jeweils ein Festkörperelektrolyt 7 befindet. Die Anodenschichten 5 sind vorzugsweise als Lithium-Anoden ausgebildet. Die Kathodenschichten 6 sind vorzugsweise als Kompositkathoden ausgebildet. 1 shows a first example of an energy storage module 1 with three in the stacking direction 3 stacked energy storage cells 4 , Each of the energy storage cells 4 has an anode layer formed, for example, as a thin film 5 and a cathode layer 6 on, between each of which a solid electrolyte 7 located. The anode layers 5 are preferably formed as lithium anodes. The cathode layers 6 are preferably formed as composite cathodes.

Die in dieser Weise in Reihe geschalteten Energiespeicherzellen 4 bilden einen sog. bipolaren Stapel 2.The energy storage cells connected in series in this way 4 form a so-called bipolar stack 2 ,

Ferner sind elektrisch leitende Kontaktelemente 8 vorgesehen, die als Kontaktschichten ausgebildet sind und jeweils zwischen einer Anoden- und Kathodenschicht 5, 6 von zwei benachbarten Energiespeicherzellen 4 angeordnet und mit diesen elektrisch verbunden sind. Die Kontaktelemente 8 sind vorzugsweise als dünne Schichten ausgebildet, deren Schichtdicke in Stapelrichtung 3 bevorzugt weniger als 100 µm beträgt. Aufgrund der elektrisch leitenden Verbindung zu den jeweiligen Anoden- und Kathodenschichten 5, 6 liegen die Kontaktelemente 8 auf dem elektrischen Potenzial der jeweiligen Anoden- bzw. Kathodenschicht 5, 6.Furthermore, electrically conductive contact elements 8th provided, which are formed as contact layers and in each case between an anode and cathode layer 5 . 6 of two adjacent energy storage cells 4 are arranged and electrically connected to these. The contact elements 8th are preferably formed as thin layers whose layer thickness in the stacking direction 3 preferably less than 100 microns. Due to the electrically conductive connection to the respective anode and cathode layers 5 . 6 are the contact elements 8th on the electrical potential of the respective anode or cathode layer 5 . 6 ,

Die Kontaktelemente 8 sind aus dem Stapel 2 herausgeführt und dazu eingerichtet, von außerhalb des Stapels 2 kontaktiert zu werden, insbesondere um die elektrische Spannung einer einzelnen Energiespeicherzelle 4 an zwei Kontaktelementen 8, welche an der Kathodenschicht 6 (im Beispiel in Stapelrichtung 3 oben) und Anodenschicht 5 (im Beispiel in Stapelrichtung 3 unten) der Energiespeicherzelle 4 anliegen, abzugreifen und zu messen. Dadurch ist es möglich, trotz Reihenschaltung in Form eines bipolaren Stapels 2 die Spannungen der einzelnen Energiespeicherzellen 4 abzugreifen und zu überwachen, um erforderlichenfalls - beispielsweise im Falle einer drohenden Tiefentladung oder Überladung einer einzelnen Zelle 4 - die nötigen Gegenmaßnahmen rechtzeitig ergreifen zu können.The contact elements 8th are out of the pile 2 brought out and set up, from outside the pile 2 to be contacted, in particular to the electrical voltage of a single energy storage cell 4 on two contact elements 8th , which at the cathode layer 6 (in the example in stacking direction 3 above) and anode layer 5 (in the example in stacking direction 3 below) of the energy storage cell 4 abut, measure and measure. This makes it possible, despite series connection in the form of a bipolar stack 2 the voltages of the individual energy storage cells 4 if necessary - for example, in case of impending over-discharge or over-charging of a single cell 4 - be able to take the necessary countermeasures in time.

Dem gegenüber wäre die Messung der Gesamtspannung des Stapels 2 durch Kontaktierung der obersten Kathodenschicht 6 und der untersten Anodenschicht 5 des Stapels 2 im Hinblick auf eine bevorstehende Schädigung einer einzelnen Zelle 4 wesentlich weniger aussagekräftig, so dass eine Schädigung der einzelnen Zelle 4 - und in der Folge des gesamten Moduls 1 - nicht zuverlässig vermieden werden könnte.On the other hand, the measurement of the total stress of the stack would be 2 by contacting the uppermost cathode layer 6 and the bottom anode layer 5 of the pile 2 in view of imminent damage to a single cell 4 significantly less meaningful, causing damage to the individual cell 4 - and as a consequence of the entire module 1 - could not be reliably avoided.

2 zeigt einen Ausschnitt aus einem zweiten Beispiel eines Energiespeichermoduls, bei welchem die Kontaktelemente 8 jeweils mit einer Kontaktfläche 10 versehen sind, die sich im Wesentlichen parallel zu einer Seitenfläche 9 des Stapels 2 bzw. senkrecht zu den Anoden- und Kathodenschichten des Stapels 2 erstreckt. Über die Kontaktflächen 10 können die zwischen den einzelnen Zellen befindlichen Kontaktschichten der Kontaktelemente 8 besonders zuverlässig und sicher von außen kontaktiert werden. 2 shows a section of a second example of an energy storage module, wherein the contact elements 8th each with a contact surface 10 are provided, which are substantially parallel to a side surface 9 of the pile 2 or perpendicular to the anode and cathode layers of the stack 2 extends. About the contact surfaces 10 can be located between the individual cells contact layers of the contact elements 8th be contacted particularly reliably and safely from the outside.

Die Kontaktflächen 10 sind in dem dargestellten Beispiel plattenförmig ausgebildet und weisen eine Dicke auf, die vorzugsweise in etwa der Dicke der Kontaktschicht der Kontaktelemente 8 entspricht. Alternativ kann die Dicke der Kontaktflächen 10 aber auch größer als die Schichtdicke der Kontaktelemente 8 gewählt werden, um die mechanische Stabilität der Kontaktflächen 10 weiter zu erhöhen.The contact surfaces 10 are plate-shaped in the example shown and have a thickness which is preferably approximately the thickness of the contact layer of the contact elements 8th equivalent. Alternatively, the thickness of the contact surfaces 10 but also larger than the layer thickness of the contact elements 8th be chosen to increase the mechanical stability of the contact surfaces 10 continue to increase.

Die Kontaktflächen 10 weisen in Stapelrichtung 3 eine Ausdehnung auf, welche größer ist als die Dicke der Kontaktschicht der Kontaktelemente 8, so dass die Kontaktflächen 10 in Stapelrichtung 3 über die jeweilige Kontaktschicht der Kontaktelemente 8 hinausragen und, wie beispielhaft dargestellt, einen Teil der jeweils benachbarten Energiespeicherzellen 4 im Bereich der Seitenfläche 9 des Stapels 2 überragen.The contact surfaces 10 point in the stacking direction 3 an extent which is greater than the thickness of the contact layer of the contact elements 8th so that the contact surfaces 10 in the stacking direction 3 over the respective contact layer of the contact elements 8th protrude and, as exemplified, a portion of each adjacent energy storage cells 4 in the area of the side surface 9 of the pile 2 overtop.

Im dargestellten Beispiel ist die Ausdehnung der Kontaktflächen 10 in Stapelrichtung 3 geringfügig größer als die Ausdehnung der Energiespeicherzellen 4 in Stapelrichtung 3, so dass die Kontaktflächen 10 jeweils bis etwa zur Mitte der benachbarten Energiespeicherzelle 4 ragen. Die Unterkante 10' einer oberen Kontaktfläche 10 liegt dann in etwa auf der Höhe der Oberkante 10" einer benachbarten unteren Kontaktfläche 10.In the example shown, the extent of the contact surfaces 10 in the stacking direction 3 slightly larger than the extent of the energy storage cells 4 in the stacking direction 3 so that the contact surfaces 10 each to about the middle of the adjacent energy storage cell 4 protrude. The lower edge 10 'of an upper contact surface 10 then lies approximately at the height of the upper edge 10 "of an adjacent lower contact surface 10 ,

Grundsätzlich kann die Ausdehnung der Kontaktflächen 10 in Stapelrichtung 3 aber deutlich größer, beispielsweise etwa doppelt so groß, sein als bzw. wie die Ausdehnung der Energiespeicherzellen 4 in Stapelrichtung 3. Die Unterkante 10' einer oberen Kontaktfläche 10 würde dann unterhalb der Oberkante 10" einer benachbarten unteren Kontaktfläche 10 liegen (nicht dargestellt).Basically, the extent of the contact surfaces 10 in the stacking direction 3 but significantly larger, for example, about twice as large, be as or as the extent of the energy storage cells 4 in the stacking direction 3 , The lower edge 10 'of an upper contact surface 10 would then be below the top edge 10 "of an adjacent bottom contact surface 10 lie (not shown).

Um ein Überlappen bzw. eine elektrische Kontaktierung von zwei benachbarten Kontaktflächen 10 auf einfache Weise und zuverlässig zu vermeiden, sind die Kontaktflächen 10, wie im Beispiel gezeigt, vorzugsweise senkrecht zur Stapelrichtung 3 versetzt angeordnet.To overlap or an electrical contacting of two adjacent contact surfaces 10 To easily and reliably avoid, are the contact surfaces 10 as shown in the example, preferably perpendicular to the stacking direction 3 staggered.

Durch die beschriebene Dimensionierung der Kontaktflächen 10 einerseits und die versetzte Anordnung andererseits wird eine einfache und zuverlässige Kontaktierung der Kontaktflächen 10 ermöglicht, ohne die Gefahr von Kurzschlüssen der Kontaktflächen 10 untereinander zu erhöhen.Due to the described dimensioning of the contact surfaces 10 On the one hand and the staggered arrangement on the other hand, a simple and reliable contacting of the contact surfaces 10 allows, without the risk of short circuits of the contact surfaces 10 to increase among themselves.

Die Kontaktelemente 8 weisen im dargestellten Beispiel ferner jeweils eine Leiterfahne 11 auf, durch welche die Kontaktelemente 8 an der Seitenfläche 9 aus dem Stapel 2 herausführt und mit jeweils einer Kontaktfläche 10 verbunden werden. Durch die Leiterfahnen 11 wird sichergestellt, dass die Kontaktflächen 10 in einem vorgegebenen Abstand von der Seitenfläche 9 des Stapels 2 beabstandet sind, so dass ein Kurzschluss zwischen Elementen der Energiespeicherzellen 4 und/oder benachbarten Energiespeicherzellen 4 verhindert wird.The contact elements 8th In the example shown furthermore each have a conductor lug 11 on, through which the contact elements 8th on the side surface 9 from the pile 2 leads out and each with a contact surface 10 get connected. Through the conductor flags 11 will ensure that the contact surfaces 10 at a predetermined distance from the side surface 9 of the pile 2 are spaced so that a short circuit between elements of the energy storage cells 4 and / or adjacent energy storage cells 4 is prevented.

Auch wenn die Kontaktflächen 10 im dargestellten Beispiel nur an einer Seitenfläche 9 des Stapels 2 angebracht sind, ist es möglich bzw. kann es vorteilhaft sein, diese an zwei oder mehreren Seitenflächen des Stapels 2 anzubringen, um eine elektrische Kontaktierung von außen, insbesondere durch Kontaktflächen eines oder mehrerer anderer Stapel (nicht dargestellt), zu ermöglichen. Beispielsweise können zum Zwecke einer Parallelschaltung mehrerer in gleicher Weise aufgebauter Stapel 2 die Kontaktflächen 10 an beiden gegenüberliegenden Seitenflächen 9 des jeweiligen Stapels 2 vorgesehen sein. Dies wird nachfolgend anhand von Figur 3 näher erläutert. 3 zeigt ein Beispiel zur Verschaltung von Energiespeichermodulen 1. Im dargestellten Beispiel sind zwei mit ihren jeweiligen Seitenflächen aneinander liegende Energiespeichermodule 1 parallel verschaltet und bilden ein Energiespeichersystem 12.Even if the contact surfaces 10 in the example shown only on one side surface 9 of the pile 2 are attached, it is possible or may be advantageous, this at two or more side surfaces of the stack 2 to be mounted in order to allow an electrical contact from the outside, in particular by contact surfaces of one or more other stacks (not shown). For example, for the purpose of parallel connection of a plurality of stacks constructed in the same way 2 the contact surfaces 10 on both opposite side surfaces 9 of the respective stack 2 be provided. This will be described below with reference to FIG 3 explained in more detail. 3 shows an example of the interconnection of energy storage modules 1 , In the example shown, two energy storage modules adjoining each other with their respective side surfaces 1 connected in parallel and form an energy storage system 12 ,

Wie anhand eines zusätzlichen Energiespeichermoduls 1 veranschaulicht ist, sind die Energiespeichermodule 1 dazu derart ausgestaltet und/oder angeordnet, dass die senkrecht zur Stapelrichtung 3 versetzt angeordneten Kontaktflächen 10 an den Seitenflächen benachbarter Energiespeichermodule 1 einander gegenüber liegen und bei einem Zusammenfügen der Energiespeichermodule 1, angedeutet durch den Pfeil 13, in elektrischen Kontakt miteinander gebracht werden.As with an additional energy storage module 1 Illustrated are the energy storage modules 1 configured and / or arranged so that the perpendicular to the stacking direction 3 staggered contact surfaces 10 on the side surfaces of adjacent energy storage modules 1 lie opposite each other and when joining the energy storage modules 1 , indicated by the arrow 13 to be brought into electrical contact with each other.

Dadurch wird ein Ladungsausgleich zwischen zwei oder mehreren benachbarten Energiespeicherzellen 4 (siehe 1 und 2) unterschiedlicher Energiespeichermodule 1 ermöglicht, da die Elektroden von Energiespeicherzellen des Energiespeichersystems 12 über die Kontaktflächen 10 bzw. Kontaktelemente 8 (siehe 1 und 2) derart leitend verbunden sind, dass sie jeweils eine effektive Elektrode des Energiespeichersystems 12 bilden.This results in a charge balance between two or more adjacent energy storage cells 4 (please refer 1 and 2 ) of different energy storage modules 1 allows, since the electrodes of energy storage cells of the energy storage system 12 over the contact surfaces 10 or contact elements 8th (please refer 1 and 2 ) are conductively connected such that they each have an effective electrode of the energy storage system 12 form.

Die elektrische Zellenspannung aller senkrecht zur Stapelrichtung 3 in einer Ebene nebeneinanderliegenden Energiespeicherzellen ist damit gleich und kann leicht über zwei in Stapelrichtung 3 benachbarte Kontaktflächen 10 seitlich, d.h. senkrecht zur Stapelrichtung 3, aus dem Energiespeichersystem 12 herausgeführt und gemessen werden. Der Aufwand zur Überwachung beispielsweise des Ladungszustands der Energiespeicherzellen bzw. des Energiespeichersystems 12 ist dadurch unabhängig von der Anzahl der parallel geschalteten Energiespeichermodule 1.The electrical cell voltage of all perpendicular to the stacking direction 3 in a plane adjacent energy storage cells is the same and can easily over two in the stacking direction 3 adjacent contact surfaces 10 laterally, ie perpendicular to the stacking direction 3 , from the energy storage system 12 be led out and measured. The effort to monitor, for example, the state of charge of the energy storage cells or the energy storage system 12 is therefore independent of the number of parallel energy storage modules 1 ,

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
EnergiespeichermodulEnergy storage module
22
Stapelstack
33
Stapelrichtungstacking direction
44
EnergiespeicherzelleEnergy storage cell
55
Anodenschichtanode layer
66
Kathodenschichtcathode layer
77
FestkörperelektrolytSolid electrolyte
88th
Kontaktelementcontact element
99
Seitenflächeside surface
1010
Kontaktflächecontact area
1111
Leiterfahneconductor tab
1212
EnergiespeichersystemEnergy storage system
1313
Pfeil (Zusammenfügen der Energiespeichermodule)Arrow (assembling the energy storage modules)

Claims (11)

Energiespeichermodul (1), insbesondere Festkörperbatterie, zur elektrochemischen Speicherung von Energie mit wenigstens zwei in einem Stapel (2) angeordneten und in Serie geschalteten Energiespeicherzellen (4), welche jeweils eine Anodenschicht (5) und eine Kathodenschicht (6) aufweisen, gekennzeichnet durch wenigstens ein Kontaktelement (8), welches mit einer im Inneren des Stapels (2) liegenden Anodenschicht (5) einer ersten Energiespeicherzelle (4) und mit einer im Inneren des Stapels (2) liegenden Kathodenschicht (6) einer der ersten Energiespeicherzelle (4) benachbarten zweiten Energiespeicherzelle (4) elektrisch verbunden ist und aus dem Stapel (2) herausgeführt ist, so dass das wenigstens eine Kontaktelement (8) von außerhalb des Stapels (2) elektrisch kontaktierbar ist.Energy storage module (1), in particular solid state battery, for electrochemical storage of energy with at least two in a stack (2) arranged and connected in series energy storage cells (4), each having an anode layer (5) and a cathode layer (6), characterized by at least a contact element (8) which is adjacent to an anode layer (5) of a first energy storage cell (4) lying inside the stack (2) and to a cathode layer (6) of one of the first energy storage cell (4) lying in the interior of the stack (2) second energy storage cell (4) is electrically connected and led out of the stack (2), so that the at least one contact element (8) from outside the stack (2) is electrically contacted. Energiespeichermodul (1) nach Anspruch 1, wobei das wenigstens eine Kontaktelement (8) eine Kontaktschicht aufweist, welche im Wesentlichen parallel zur jeweiligen Anodenschicht (5) und Kathodenschicht (6) verläuft und mit der Anodenschicht (5) und der Kathodenschicht (6) elektrisch verbunden ist.Energy storage module (1) after Claim 1 wherein the at least one contact element (8) has a contact layer which is substantially parallel to the respective anode layer (5) and cathode layer (6) and is electrically connected to the anode layer (5) and the cathode layer (6). Energiespeichermodul (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das wenigstens eine Kontaktelement (8) eine entlang einer Seitenfläche (9) des Stapels (2) im Wesentlichen parallel verlaufende Kontaktfläche (10) aufweist, welche von außerhalb des Stapels (2) elektrisch kontaktierbar ist.Energy storage module (1) after Claim 1 or 2 in that the at least one contact element (8) has a contact surface (10) extending substantially parallel along a side surface (9) of the stack (2) and which is electrically contactable from outside the stack (2). Energiespeichermodul (1) nach Anspruch 2 und 3, wobei die Kontaktfläche (10) entlang der Seitenfläche (9) des Stapels (2), insbesondere senkrecht zur Kontaktschicht, eine Ausdehnung aufweist, welche größer ist als die Dicke der Kontaktschicht.Energy storage module (1) after Claim 2 and 3 wherein the contact surface (10) along the side surface (9) of the stack (2), in particular perpendicular to the contact layer, has an extension which is greater than the thickness of the contact layer. Energiespeichermodul (1) nach einem der Ansprüche 3 oder 4, wobei die Kontaktfläche (10) dazu eingerichtet ist, eine Steckverbindung mit einer Kontaktfläche (10) eines anderen Energiespeichermoduls (1) und/oder einer elektrischen Leitung einzugehen.Energy storage module (1) according to one of Claims 3 or 4 , wherein the contact surface (10) is adapted to enter into a plug connection with a contact surface (10) of another energy storage module (1) and / or an electrical line. Energiespeichermodul (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei mehrere Kontaktelemente (8) aus der Seitenfläche (9) des Stapels (2) herausgeführt sind und die jeweiligen Kontaktflächen (10) in zwei Dimensionen der Seitenfläche (9) versetzt angeordnet sind.Energy storage module (1) according to one of Claims 3 to 5 wherein a plurality of contact elements (8) are led out of the side surface (9) of the stack (2) and the respective contact surfaces (10) are offset in two dimensions of the side surface (9). Energiespeichermodul (1) nach Anspruch 6, wobei die Kontaktflächen (10) der Kontaktelemente (8) im Wesentlichen entlang einer Diagonalen der Seitenfläche (9) des Stapels (2) angeordnet sind.Energy storage module (1) after Claim 6 wherein the contact surfaces (10) of the contact elements (8) are arranged substantially along a diagonal of the side surface (9) of the stack (2). Energiespeichersystem (12) mit wenigstens zwei Energiespeichermodulen (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Energiespeichermodule (1) derart nebeneinander und/oder übereinander angeordnet sind, dass sich wenigstens ein aus einem ersten Energiespeichermodul (1) herausgeführtes Kontaktelement (8) und wenigstens ein aus einem dem ersten Energiespeichermodul (1) benachbarten zweiten Energiespeichermodul (1) herausgeführtes Kontaktelement (8) berühren.Energy storage system (12) with at least two energy storage modules (1) according to one of the preceding claims, wherein the energy storage modules (1) are arranged side by side and / or one above the other, that at least one of a first energy storage module (1) led out contact element (8) and at least touching a contact element (8) led out of a second energy storage module (1) adjacent to the first energy storage module (1). Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, mit einem Energiespeichermodul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 und/oder einem Energiespeichersystem (12) nach Anspruch 8.Vehicle, in particular motor vehicle, with an energy storage module (1) according to one of Claims 1 to 7 and / or an energy storage system (12) Claim 8 , Verfahren zum Messen einer elektrischen Spannung an einem Energiespeichermodul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 und/oder einem Energiespeichersystem (12) nach Anspruch 8, mit wenigstens zwei Kontaktelementen (8), zwischen denen eine oder mehrere Energiespeicherzellen (4) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrische Spannung an jeweils zwei aus einem Stapel (2) von in Serie geschalteten Energiespeicherzellen (4) herausgeführten Kontaktelementen (8) abgegriffen und gemessen wird.Method for measuring an electrical voltage on an energy storage module (1) according to one of Claims 1 to 7 and / or an energy storage system (12) Claim 8 , with at least two contact elements (8) between which one or more energy storage cells (4) are arranged, characterized in that an electrical voltage is applied to two contact elements (8) led out of a stack (2) of energy storage cells (4) connected in series. tapped and measured. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die elektrische Spannung an jeweils zwei Kontaktelementen (8), welche jeweils mit der Anodenschicht (5) und der Kathodenschicht (5) einer Energiespeicherzelle (4) verbunden und aus dem Stapel (2) herausgeführt sind, abgegriffen und gemessen wird.Method according to Claim 10 , wherein the electrical voltage at each two contact elements (8), which are respectively connected to the anode layer (5) and the cathode layer (5) of an energy storage cell (4) and led out of the stack (2), tapped and measured.
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